Hệ vi sinh vật trong lên men rượu vang tự nhiên tương đối phức tạp và không đồng nhất trong các giai đoạn của quá trình lên men.
Trong nước nho tươi có những nhóm vi sinh vật khác nhau từ môi trường xung quanh, chủ yếu ở vỏ quả, thân, cuống và thiết bị.  Phần lớn trong phức hệ này là nấm mốc (76 – 90%), nấm men (9 – 22%), số còn lại chiếm tỷ lệ thấp là vi khuẩn không sinh bào tử hoặc có bào tử, xạ khuẩn và Micobacter.
Các công trình nghiên cứu đều xác định rằng, hệ nấm men trong giai đoạn đầu lên men nước nho là kloeckera – nấm men có dạng hình chùy chiếm phần lớn và hoạt động tích tụ được 2 – 4 độ cồn rồi ngừng hoạt động và chết dần, sau đó là nấm men rượu vang thực thụ (Saccharomyces cerevisiae và Saccharomyces oviformics) phát triển và đóng vai trò chủ yếu trong lên men chính và lên men phụ.